礦井勘探用智能電子織物及其安全防護(hù)可穿戴研究*

劉 紅,王 航,李煜天,田明偉

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院,山東青島 266071)

0 前言

在智能化時(shí)代背景下,安全防護(hù)的數(shù)字化具有重要意義[1]。現(xiàn)有的安防監(jiān)測(cè)傳感器存在質(zhì)硬、服用性能不佳、與紡織品集成性差等問題,一方面無法滿足礦井勘探的舒適性要求,另一方面也會(huì)限制工人的施工。因此,開發(fā)柔性可穿戴器件礦井勘探用智能服裝具有重要價(jià)值。

柔性可穿戴傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器笨重易脆、力學(xué)性能和承受變形能力差的缺點(diǎn),并且具有尺寸小、重量輕、易于集成并且耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[2]。根據(jù)感應(yīng)機(jī)理的不同,柔性可穿戴傳感器可以分為:電容式、電阻式、摩擦發(fā)電式、磁敏式以及壓電式[3-6],其中電容式傳感器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低壓檢測(cè)限、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),已引起廣泛的研究興趣[7]。目前,制備柔性可穿戴電容傳感器的柔性材料主要包括聚合物彈性體、凝膠、紡織材料(纖維、紗線、織物)等[8-10]。聚合物薄膜基、凝膠基和紡織基傳感器具有很好的柔軟性和傳感性能[11-13],在智能可穿戴電子領(lǐng)域具有重要研究意義[14, 15]。

紡織材料優(yōu)良的可穿戴性能使得發(fā)展一種紡織基的電容式壓力傳感器用以監(jiān)測(cè)人體受到的外界刺激,成為智能可穿戴領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是,由于常用的紡織材料可壓縮量程小和保形性差等問題,導(dǎo)致紡織基的電容式壓力傳感器存在監(jiān)測(cè)范圍小和耐久性差等缺陷。因此,研發(fā)一種具有大的監(jiān)測(cè)量程和高耐久的紡織基電容式壓力傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文利用鍍鎳銅機(jī)織物和針織物分別作為電極和介電層,設(shè)計(jì)出一種針織基電容式傳感器,并對(duì)針織物基電容式傳感器的形貌特征、傳感性能、舒適性進(jìn)行測(cè)試分析,較聚合物彈性體薄膜基更符合柔性可穿戴電子設(shè)備的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

緯平針織物(面密度160 g/m2,紹興夏帆紡織品有限公司),鍍鎳銅織物(方阻≤0.05 Ω/sq,東莞市萬江創(chuàng)科電子廠)。

1.2 壓力傳感電子織物的制備

全紡織基柔性電子織物制備流程,如圖1所示。

圖1 全紡織基柔性電子織物制備示意

a) 裁剪合適尺寸的針織物作為中間介電層。單點(diǎn)傳感器中針織物介電層尺寸為1×1 cm2,傳感器陣列中尺寸為9×9 cm2。

b) 將鍍鎳銅機(jī)織物激光切割成目標(biāo)尺寸方便組裝測(cè)試。設(shè)置激光直寫儀的切割速度和功率分別為30 mm/s和35 W。將商用鍍鎳銅織物放入激光直寫儀進(jìn)行切割得到合適的組裝尺寸以方便評(píng)估傳感性能。對(duì)于單位點(diǎn)傳感器樣品,電極尺寸為1 cm×1 cm。傳感陣列選用5×5(25個(gè)單位點(diǎn)),每個(gè)單位點(diǎn)直徑尺寸為1 cm,兩個(gè)單位點(diǎn)電極間隔1 cm,共切割8個(gè)電極條分別作為陣列的上下電極,每個(gè)電極條尺寸為9 cm×1 cm(不包含導(dǎo)線長度)。

c) 將切割好的鍍鎳銅機(jī)織物電極和針織物中間介電層組裝制備得到針織基非接觸/觸覺雙模態(tài)傳感器。

1.3 測(cè)試與表征

a) 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試: 采用德國Carl Zeiss公司型號(hào)為ZEISSEVO18的掃描電子顯微鏡對(duì)鍍鎳銅織物電極和針織物介電層的表觀形態(tài)進(jìn)行分析。工作電壓和距離分別設(shè)定為20 kV和10.0 mm。

b) 傳感器性能測(cè)試:采用北京溪谷高分子科技有限公司的ECA200A型數(shù)字電橋測(cè)試儀測(cè)試針織物基傳感器的傳感性能,測(cè)試頻率100 kHz。

c) 傳感器壓力性能測(cè)試:采用東莞市智取精密儀器有限公司型號(hào)ZQ-990B的電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)針織物基傳感器進(jìn)行施壓,量程50 N。

d) 傳感器透濕性能測(cè)試:采用寧波紡織儀器廠的YG601 H-Ⅱ型織物透濕儀測(cè)試針織物基傳感器的透濕性。

e) 傳感器透氣性能測(cè)試:采用寧波紡織儀器廠型號(hào)為YG461 E-Ⅲ的全自動(dòng)透氣量儀測(cè)試針織物基傳感器的透氣性。

2 結(jié)果與討論

2.1 介電層材料表面結(jié)構(gòu)分析

針織物基傳感器的SEM圖像如圖2所示。從圖2(a)和(b)中可以清楚地觀察到具有均勻緯平針織線圈結(jié)構(gòu)的中間介電層和經(jīng)緯紗一上一下交織的平紋機(jī)織結(jié)構(gòu)的鍍鎳銅織物電極。另外,圖2(b)中的倍數(shù)放大插圖顯示鎳和銅兩種金屬元素均勻包裹在纖維上,賦予電極優(yōu)越的導(dǎo)電性能。由2(c)和(d)可知,針織物中間介電層和鍍鎳銅電極厚度較薄,分別為460,100 μm,這使得兩者組裝得到的針織物基傳感器仍保留輕薄柔軟的特點(diǎn),并且紡織基固有的透濕透氣性給予該傳感器優(yōu)越的穿戴舒適性能。

圖2 針織物基傳感器的SEM圖像

2.2 壓力傳感性能分析

針織物基電容傳感器的壓力響應(yīng)性能如圖3所示。電容變化量隨著壓力的增強(qiáng)逐漸減小,與壓力呈非線性關(guān)系?？赡苁怯捎谥虚g針織層在壓力作用下被壓實(shí)緊密,厚度變形逐漸減小,相應(yīng)輸出電容變化量也隨之逐漸減小,如圖3(a)。針織基電容傳感器承壓高達(dá)400 kPa,在0～30,30～300,300～400 kPa范圍內(nèi),該傳感器的靈敏度分別為1.26×10-3,2.46×10-3,4.42×10-4kPa-1。對(duì)傳感器進(jìn)行一個(gè)400 kPa的加/卸壓測(cè)試,圖3(b)顯示雙模態(tài)針織基傳感器在加/卸壓產(chǎn)生的最大遲滯率為21.41%,遲滯性較小,猜測(cè)產(chǎn)生遲滯性的原因可能是針織物中纖維毛羽間的相互纏連。

圖3 針織物基電容傳感器壓力相應(yīng)性能

針織物基電容傳感器也表現(xiàn)出了優(yōu)異的微壓檢測(cè)能力,見圖4。從圖4(a)可知,當(dāng)重量為60 mg(5.88 Pa)的小紙片放置在傳感器上,傳感器有明顯電容變化響應(yīng),相對(duì)電容變化率為2%。由圖4(b)可知,針織基傳感器在105,132 ,200 kPa這3種不同壓力刺激下的相對(duì)電容變化率分別為24.44%,32.30%,49.49%。結(jié)果證明針織基傳感器具有穩(wěn)定的壓力響應(yīng)性能,并且能夠清晰分辨出不同壓力的刺激。針織基傳感器在重復(fù)加卸壓(約150 kPa)超過8 000次循環(huán)(一個(gè)循環(huán)約2 s)后,沒有明顯的電容信號(hào)漂移,進(jìn)一步證明雙模態(tài)針織基傳感器具有優(yōu)秀的耐久性和穩(wěn)定性,如圖4(c)所示。

圖4 針織物基電容傳感器和低壓響應(yīng)及耐久性能

為探索針織物基傳感陣列的壓力空間分布識(shí)別性能,將重物放置于傳感陣列33單元點(diǎn)處,如圖5所示,由于傳感陣列各單位點(diǎn)之間存在串?dāng)_行為,重物所產(chǎn)生的壓力分布由傳感器陣列33單位點(diǎn)呈減小趨勢(shì)向四周擴(kuò)散,可以清晰呈現(xiàn)重物的壓力分布,并精確定位重物所在位置。

圖5 雙模態(tài)針織物基傳感陣列的多位點(diǎn)壓力響應(yīng)性能

2.3 服用性能分析

為進(jìn)一步探討雙模態(tài)針織物基傳感器的穿戴舒適性能,如圖6所示,對(duì)比研究了5×5針織物基和PDMS基傳感陣列的透濕透氣性能。由圖6(a)可知, PDMS基傳感器和針織物基傳感陣列的透濕性分別為 4.40 g/(m2·h)和168.20 g/(m2·h),對(duì)比發(fā)現(xiàn)針織物基傳感器的透濕性是PDMS基傳感陣列的38倍,透濕性能突出。另外,從圖6(b)可觀察到,PDMS基傳感器和針織物基傳感陣列的透氣性分別為 3.18 mm/s和537.86 mm/s,針織物基傳感器的透氣性是PDMS基傳感陣列的169倍,透氣性能優(yōu)異。結(jié)果證明雙模態(tài)針織基傳感陣列具有良好的穿著舒適性。

圖6 針織物基傳感器和PDMS基傳感器的透濕性和透氣性

3 全紡織基柔性電子織物在安全防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 智能壓力感知手套應(yīng)用

可識(shí)別物體特征的觸覺技術(shù)在人機(jī)交互及體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中具有重要價(jià)值。針織物基電容式壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)與紡織品的有效集成,具有柔軟、舒適、高靈敏性等特征。根據(jù)人體工效學(xué)原理,將針織物基電容式傳感器設(shè)計(jì)為手部握力傳感器,可完成抓握、按壓等監(jiān)測(cè),壓力采集簡(jiǎn)單、高效,在搬運(yùn)重物、攀爬運(yùn)動(dòng)中工人手部發(fā)力監(jiān)測(cè)具有重要意義。

以手部按壓為例,如圖7所示,將手部完全按壓于桌面,可清晰顯示手部細(xì)節(jié),包括手掌壓力、手指部位壓力分布等。可知,該電子織物可監(jiān)測(cè)手部用力時(shí)的壓力,顯像分辨率高,在運(yùn)動(dòng)識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖7 智能壓力感知手套及手部施壓壓力監(jiān)測(cè)效果

3.2 智能壓力感知訓(xùn)練毯應(yīng)用

記錄訓(xùn)練過程中步態(tài)特征,對(duì)分析石油工人動(dòng)作具有重要意義。針織物基電容傳感器具有大規(guī)模、批量化生產(chǎn)等特點(diǎn),可集成于紡織品中,制備形成智能壓力感知訓(xùn)練毯。智能壓力感知地毯可清晰顯示足底壓力分布和臀部壓力分布,基于獲得的數(shù)據(jù),可分析行走狀態(tài)、坐姿等。

4 結(jié)論

本文介紹了一款基于電容效應(yīng)的全紡織基柔性電子織物,由鍍鎳機(jī)織物和針織物分別作為電極和中間介電層構(gòu)成,擁有良好的透氣和透濕性,分別為168.20 g/m2h、537.86 mm/s。具有檢測(cè)范圍大(<400 kPa),高靈敏度(0.000 44～0.002 5 kPa-1)、耐久性好(8 000次壓力循環(huán))等優(yōu)點(diǎn),可充分感知和記錄石油勘探工人運(yùn)動(dòng)過程體能數(shù)據(jù),如速度、壓力等。該傳感器與紡織品的集成性高,在礦井勘探領(lǐng)域及其他領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。